一種金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于銅的化學(xué)機(jī)械拋光漿料及其應(yīng)用，該漿料包括研磨顆粒、絡(luò)合劑、氧化劑，腐蝕抑制劑，和至少一種磷酸酯類表面活性劑。使用本發(fā)明的漿料的可以保持較高的銅的去除速率，改善拋光后銅線的碟形凹陷和過(guò)拋窗口，拋光后的銅表面污染物少，無(wú)腐蝕等缺陷。
【專利說(shuō)明】一種金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種化學(xué)機(jī)械拋光漿料及其應(yīng)用，尤其涉及一種用于銅的化學(xué)機(jī)械拋光漿料及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電子部件的微小化，一個(gè)集成電路中包含了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的晶體管。在運(yùn)行過(guò)程中，在整合了如此龐大數(shù)量的能迅速開關(guān)的晶體管，傳統(tǒng)的鋁或是鋁合金互連線，使得信號(hào)傳遞速度降低，而且電流傳遞過(guò)程中需要消耗大量能源，在一定意義上，也阻礙了半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。為了進(jìn)一步發(fā)展，人們開始尋找采用擁有更高電學(xué)性質(zhì)的材料取代鋁的使用。眾所周知，銅的電阻小，擁有良好的導(dǎo)電性，這加快了電路中晶體管間信號(hào)的傳遞速度，還可提供更小的寄生電容能力，較小電路對(duì)于電遷移的敏感性。這些電學(xué)優(yōu)點(diǎn)都使得銅在半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展中擁有良好的發(fā)展前景。
[0003]但在銅的集成電路制造過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，銅會(huì)遷移或擴(kuò)散方式進(jìn)入到集成電路的晶體管區(qū)域，從而對(duì)于半導(dǎo)體的晶體管的性能產(chǎn)生不利影響，因而銅的互連線只能以鑲嵌工藝制造，即:在第一層里形成溝槽，在溝槽內(nèi)填充銅阻擋層和銅，形成金屬導(dǎo)線并覆蓋在介電層上。然后通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光將介電層上多余的銅/銅阻擋層除去，在溝槽里留下單個(gè)互連線。銅的化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程一般分為3個(gè)步驟，第I步是先用較高的下壓力，以快且高效的去除速率除去襯底表面上大量的銅，第2步是在快要接近阻擋層時(shí)降低下壓力，降低去除速率拋光剩余的金屬銅并停在阻擋層，第3步再用阻擋層拋光液去除阻擋層及部分介電層和金屬銅，實(shí)現(xiàn)平坦化。
[0004]銅拋光一方面要盡快去除阻擋層上多余的銅，另一方面要盡量減小拋光后銅線的蝶形凹陷。在銅拋光前，金屬層在銅線上方有部分凹陷。拋光時(shí)，介質(zhì)材料上的銅在主體壓力下(較高)易于被去除，而凹陷處的銅所受的拋光壓力比主體壓力低，銅去除速率小。隨著拋光的進(jìn)行，銅的高度差會(huì)逐漸減小，達(dá)到平坦化。但是在拋光過(guò)程中，如果銅拋光液的化學(xué)作用太強(qiáng)，靜態(tài)腐蝕速率太高，則銅的鈍`化膜即使在較低壓力下(如銅線凹陷處)也易于被去除，導(dǎo)致平坦化效率降低，拋光后的蝶形凹陷增大。
[0005]隨著集成電路的發(fā)展，一方面，在傳統(tǒng)的IC行業(yè)中，為了提高集成度，降低能耗，縮短延遲時(shí)間，線寬越來(lái)越窄，布線的層數(shù)也越來(lái)越多，為了保證集成電路的性能和穩(wěn)定性，對(duì)銅化學(xué)機(jī)械拋光的要求也越來(lái)越高。要求在保證銅的去除速率的情況下降低拋光壓力，提高銅線表面的平坦化，控制表面缺陷。另一方面，由于物理局限性，線寬不能無(wú)限縮小，半導(dǎo)體行業(yè)不再單純地依賴在單一芯片上集成更多的器件來(lái)提高性能，而轉(zhuǎn)向于多芯片封裝。硅通孔(TSV)技術(shù)作為一種通過(guò)在芯片和芯片之間、晶圓與晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)芯片之間互連的最新技術(shù)而得到工業(yè)界的廣泛認(rèn)可。TSV能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，大大改善芯片速度和低功耗的性能。目前的TSV工藝是結(jié)合傳統(tǒng)的IC工藝形成貫穿硅基底的銅穿孔，即在TSV開口中填充銅實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，填充后多余的銅也需要利用化學(xué)機(jī)械拋光去除達(dá)到平坦化。與傳統(tǒng)IC工業(yè)不同，由于硅通孔很深，填充后表面多余的銅通常有幾到幾十微米厚。為了快速去除這些多余的銅。通常需要具有很高的銅去除速率，同時(shí)拋光后的表面平整度好。為了使銅在半導(dǎo)體技術(shù)中更好的應(yīng)用，人們不斷嘗試新的拋光液的改進(jìn)。
[0006]中國(guó)專利CN1256765C提供了一種含有檸檬酸、檸檬酸鉀組成的螯合有機(jī)酸緩沖體系的拋光液。CN1195896C采用含有氧化劑、羧酸鹽如檸檬酸銨、磨料漿液、一種任選的三唑或三唑衍生物的拋光液。CN1459480A提供了一種銅的化學(xué)機(jī)械拋光液，其包含了成膜劑和成膜助劑:成膜劑由強(qiáng)堿和醋酸混合組成的緩沖溶液構(gòu)成，成膜助劑為硝酸鉀(鈉)鹽。美國(guó)專利US552742提供了一種金屬化學(xué)機(jī)械拋光衆(zhòng)料,包括一種含有芳纟侖娃氧、燒聚娃氧烷、聚氧化烯醚及其共聚物的表面活性劑。US6821897B2提供了一種采用含有聚合物絡(luò)合劑的拋光劑的銅化學(xué)機(jī)械拋光方法，其采用含負(fù)電荷的聚合物，其中包括硫磺酸及其鹽、硫酸鹽、磷酸、磷酸鹽、磷酸酯等。而US5527423金屬化學(xué)機(jī)械拋光衆(zhòng)料,包括一種表面活性劑:芳綸硅氧烷、聚硅氧烷、聚氧化烯醚及其共聚物。
[0007]上述專利中的技術(shù)，都力求在銅的拋光過(guò)程中，減少銅層局部的點(diǎn)蝕和腐蝕、控制靜態(tài)蝕刻速率，從而可以更好地清除銅層，提高銅的拋光速率、并獲得良好的銅互連平面性。上述專利在一定程度上克服了上述銅在拋光過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，但效果并不明顯，使用后在銅表面存有缺陷，平整度低，而且在拋光后銅線出現(xiàn)碟形凹陷大和過(guò)拋窗口窄；或者拋光速率不夠高，不能應(yīng)用于對(duì)去除速率要求較高的工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，所述拋光漿料中加入了以磷酸酯為主要成分的表面活性劑，從而減低銅的腐蝕，在保持較高的銅的拋光速率的同時(shí)，改善銅的拋光表面的平整性，加強(qiáng)拋光效果。
[0009]本發(fā)明金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)其目的:
[0010]一種金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，包括研磨顆粒、絡(luò)合劑、腐蝕抑制劑、氧化劑，其中，還至少含有一種磷酸酯類表面活性劑；所述的磷酸酯類表面活性劑含有如下結(jié)構(gòu)式的一種或兩種:
【權(quán)利要求】
1.一種金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，包括研磨顆粒、絡(luò)合劑、腐蝕抑制劑、氧化劑，其特征在于，還至少含有一種磷酸酯類表面活性劑。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的磷酸酯類表面活性劑至少含有如下結(jié)構(gòu)式的一種或多種:
3.如權(quán)利要求1所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的磷酸酯類表面活性劑至少含有如下結(jié)構(gòu)式的兩種或多種:
4.如權(quán)利要求1所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的磷酸酯類表面活性劑的含量為重量百分比0.0005~1%。
5.如權(quán)利要求4所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述磷酸酯類表面活性劑的含量為重量百分比0.00 0.5%。
6.如權(quán)利要求1所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的研磨顆粒為二氧化硅、氧化鋁、摻雜鋁或覆蓋鋁的二氧化硅、二氧化鈰、二氧化鈦、高分子研磨顆粒中的一種或多種。
7.如權(quán)利要求1所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的研磨顆粒的粒徑為 20 ~200nm。
8.如權(quán)利要求1所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的研磨顆粒的重量百分比濃度為0.1~20%.
9.如權(quán)利要求1所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的絡(luò)合劑為氨羧化合物及其鹽、有機(jī)羧酸及其鹽、有機(jī)膦酸及其鹽和有機(jī)胺中的一種或多種。
10.如權(quán)利要求9所述的金屬化學(xué)拋光漿液，其特征在于，所述的氨羧化合物選自甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、賴氨酸、精氨酸、組氨酸、絲氨酸、天冬氨酸、蘇氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、氨三乙酸、乙二胺四乙酸、環(huán)己烷四乙酸、乙二胺二琥珀酸、二乙烯三胺五乙酸和三乙烯四胺六乙酸中的一種或多種；所述的有機(jī)羧酸為醋酸、草酸、檸檬酸、酒石酸、丙二酸、丁二酸、蘋果酸、乳酸、沒食子酸和磺基水楊酸中的一種或多種；所述的有機(jī)膦酸為2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸、氨基三甲叉膦酸、羥基乙叉二膦酸、乙二胺四甲叉膦酸、二乙烯三胺五甲叉膦酸、2-羥基膦酸基乙酸、乙二胺四甲叉膦酸和多氨基多醚基甲叉膦酸中的一種或多種；所述的有機(jī)胺為乙二胺、二乙烯三胺、五甲基二乙烯三胺、多乙烯多胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺；所述的鹽為鉀鹽、鈉鹽和/或銨鹽。
11.如權(quán)利要求1所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的絡(luò)合劑的含量為重量百分比0.05~10%。
12.如權(quán)利要求11所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的絡(luò)合劑的含量較佳為重量百分比0.1~5%。
13.如權(quán)利要求1所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的氧化劑為過(guò)氧化氫、過(guò)氧化脲、過(guò)氧甲酸、過(guò)氧乙酸、過(guò)硫酸鹽、過(guò)碳酸鹽、高碘酸、高氯酸、高硼酸、高錳酸鉀和硝酸鐵中的一種或多種。
14.如權(quán)利要求1所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的氧化劑的含量為重量百分比0.05~10%。
15.如權(quán)利要求1所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的腐蝕抑制劑為氮唑、咪唑、噻唑、吡啶和嘧啶類化合物中的一種或多種。
16.如權(quán)利要求15所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的氮唑類化合物選自苯并三氮唑、5-甲基苯并三氮唑、5-羧基苯并三氮唑、1-羥基-苯并三氮唑、I，2，4-三氮唑、3-氨基-1，2，4-三氮唑、4-氨基-1，2，4-三氮唑、3，5- 二氨基-1，2，4-三氮唑、5-羧基-3-氨基-1，2，4-三氮唑、3-氨基-5-巰基-1，2，4-三氮唑、5-乙酸-1H-四氮唑、5-甲基四氮唑、5-苯基四氮唑、5-氨基-1H-四氮唑和1-苯基-5-巰基-四氮唑。所述的的咪唑類化合物包括苯并咪唑和2-巰基苯并咪唑。所述的噻唑類化合物包括2-巰基-苯并噻唑、2-巰基噻二唑和5-氨基-2-巰基-1，3，4-噻二唑；所述的吡啶選自下列中的一種或多種:2，3- 二氨基吡啶、2-氨基吡啶和2-吡啶甲酸。所述的嘧啶為2-氨基嘧啶。
17.如權(quán)利要求1所述的金`屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的腐蝕抑制劑的含量為重量百分比0.001~2%。
18.如權(quán)利要求17所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的腐蝕抑制劑的含量為重量百分比0.005~I %。
19.如權(quán)利要求1所述的金屬化學(xué)機(jī)械拋光漿料，其特征在于，所述的研磨顆粒比表面積為5~1000m2/g
20.一種如權(quán)利要求1~19中任一項(xiàng)所述的拋光漿料在含有銅的基材的化學(xué)機(jī)械拋光中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C23F3/04GK103866326SQ201210528946
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月10日
【發(fā)明者】荊建芬, 張建, 蔡鑫元 申請(qǐng)人:安集微電子（上海）有限公司